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4G再往哪里演进?

2011年12月23日 ?? 收藏1
LTE和WiMAX这两个4G系列技术已将通信业近三十年的技术积累都加以应用,点对点链路也已十分接近香侬信道容量限。为此,当前业界对4G以后的物理层技术发展比较悲观,爱立信CTO Hakan Eriksson甚至曾表示:“我没看到5G的到来,因为我们现在使用的技术已经达到了实际信道容量的极限。”

4G往后,无线通信技术再往哪里发展?笔者认为,虽然目前4G已将无线技术的大部分潜力发挥出来,但仍存在一些空白和缺陷,特别是在分布式异构网络方面还有很长的路要走。

物理层在无线通信系统中占有核心地位,并在很大程度上决定了移动通信系统的性能。无线系统的物理层把发送端的信息比特编码调制后,通过无线信道传输到接收端,要涉及到比较复杂的基带信号处理和射频信号处理。按照ITU IMT-Advanced定义的4G系统,其峰值速率在静止条件下达到1Gbit/s,在高速移动条件下达到100Mbit/s。如此之高的数据速率对物理层技术提出了极高要求。

MIMO技术提高信道容量

从通信理论来看,要提高点对点链路速率可以从两个方面下功夫,一是使用更宽的无线频谱,目前IMT-Advanced规定4G频谱最少要支持到40MHz带宽,并设计了载波聚合技术可以最高支持到100MHz带宽的频谱,比3G宽了很多;二是使用更先进的技术提高频谱效率,目前的4G技术通过使用Turbo码等技术已经基本达到这一容量限,提高频谱效率的另一个途径是使用MIMO技术尤其是空间复用来提高信道容量,这在4G技术中也已得到广泛使用。

具体而言,MIMO技术通过空间分集、空间复用、波束赋形三种形式,在发射端和接收端同时使用多个天线来提高性能。其目的在于通过对应提高信道可靠性,增加并行子信道的数量、增加信噪比来增加信道容量。

移动无线信道是一个条件恶劣的信道,同时存在时域和频域的二维衰落。分集技术就是通过在多个衰落信道上发送相同的信息来降低信道出错的概率,信息经过不同的信道越多,同时衰落的概率越小信道的可靠性就越高。空间复用是MIMO中最吸引人的方面,其将信道矩阵分解成多个并行子信道来同时发送不同的信息从而大大提高信道容量。当发射机和接收机都使用多个天线时信道可以表示成一个矩阵,两两收发天线对之间信道是独立不相关的时候这个信道矩阵可以分解成多个并行子信道以进行空间复用。

空间分集和空间复用都比较适合在散射比较厉害不存在视距传播的条件下使用,当基站和终端之间存在视距传播或较强的主径分量时,可以用波束赋形形成一个方向性很强的波束来提高接收侧信噪比和直接实现空间复用。目前LTE-Advanced和IEEE 802.16m都支持这三种MIMO技术。

实际场景应用意义有限

过度依赖MIMO是目前4G技术的主要局限之一。

4G技术通常要求达到极高的峰值速率,在不能大幅增加可用频谱带宽的条件下,目前4G系统主要是通过增加收发天数进行空间复用来实现,如LTE-Advanced设计下行支持多达8个流的空间复用、上行支持多达4个流的空间复用。用这种方法来大幅提高频谱效率以达到IMT-Advanced要求的下行1Gbit/s峰值速率和每Hz速度15bit/s的峰值频谱效率要求。但当前这种方案只适合在实验室中演示,在实际场景下意义有限,因为实际信道环境收发天线之间的信道经常具有很强的相关性达不到空间复用的信道要求,能达到的速率要远小于实验室速率。

虽然4G中把物理层的主要潜力挖掘出来了,但在某些方面4G以后物理层技术有仍有突破空间。在笔者看来,今后一是要从网络协作的角度对物理层技术进行优化从而提高系统容量,如中继、干扰协调、多小区合作MIMO等。二是用频谱效率以外的指标来对物理层技术进行优化,如低功耗的绿色网络。

传统通信技术主要关注频谱效率和系统容量,出于环保和经济的原因,目前业界对绿色网络日益重视,这方面的研究也有待加强。

分布式异构网络是必由之路

4G以后无线系统最重要的方向将是从网络拓扑的角度对无线系统进行优化,用分布式异构网络代替传统的集中式同构网络。

按照手机之父Martin Cooper的估计,在过去的104年中,无线系统的容量每30个月翻一番,按这个计算方法自1957年以后无线系统的容量大约增长了一百万倍,分解开来,25倍归功于使用更宽的频谱,5倍归功于把频谱分割成小段,5倍归功于使用更好的调制方案即物理层技术,最大的增益在于通过减小小区尺寸和传输距离产生的1600倍增益,也就是说,减小小区尺寸和传输距离产生的容量增益远大于物理层技术发展带来的增益。

事实上,要使无线系统容量获得增长,最直接的方法就是减少小区面积、增加小区数量,这样既可以减少频率重用距离提高单位面积内的频谱效率,又可以减小无线信号传递距离而提高了信噪比。由于无线网络能达到的最高数据速率随传输距离增加递减很快,未来的无线网络应是多种标准或技术重叠的异构网络,其基本原则是按照需求场景的不同使用不同层次的网络,不同层次网络则尽快将无线业务数据回传到有线网络,尽量用带宽成本比较低的有线网络来代替高成本的无线网络。如极高速率超短距离传输可以使用类似UWB之类的网络支持,中等速率室内传输可以使用蜂窝家庭基站或者Wi-Fi来覆盖,真正室外需要支持移动的低速业务才用高成本的室外蜂窝宏基站来支持。这种分布式异构网络会大大增加网络和终端物理层的复杂度,但是也是必由之路,需要业界和学界共同努力探索。


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物理层? MIMO? Turbo码?

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